316LN奧氏體不銹鋼超低溫結(jié)構(gòu)件熱絲TIG焊工藝研究

田金華，劉偉，吳智，吳自晟，陶則旭

武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430000

1 序言

我公司承接某核電項(xiàng)目橫梁結(jié)構(gòu)件（見圖1），外形尺寸為280mm×280mm×2630mm（方形）；材質(zhì)為316LN奧氏體不銹鋼；板厚20mm；重量1.2t；工作最低溫度為-269℃（超低溫）；焊縫要求：全熔透焊縫（見圖2），焊后要求進(jìn)行UT（超聲）、PT（滲透）檢測(cè)。

此構(gòu)件為某核電產(chǎn)品最為關(guān)鍵的支撐部件，也是主要的受力部件，雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但處于-269℃超低溫環(huán)境，以及產(chǎn)品生產(chǎn)周期緊迫，再加上第一次接觸這種材料，未有這方面的制作經(jīng)驗(yàn)。因此，經(jīng)過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)，總結(jié)出一些理論數(shù)據(jù)，并結(jié)合本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，采用手工TIG焊進(jìn)行定位焊及打底焊、熱絲TIG焊進(jìn)行填充及蓋面的焊接方法，并根據(jù)實(shí)際板材厚度制定合理的焊接工藝評(píng)定。在經(jīng)過(guò)了一系列的試驗(yàn)之后，制定了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)方案，選取了合適的焊絲、焊接電流、電弧電壓等參數(shù)，確定了一套完整的焊接工藝。

圖1 橫梁結(jié)構(gòu)件三維圖

圖2 橫梁全熔透焊縫坡口

2 316LN奧氏體不銹鋼材料的焊接性

316LN奧氏體不銹鋼是一種鉻-鎳奧氏體系低碳不銹鋼，是太鋼集團(tuán)為滿足該核電產(chǎn)品使用要求新開發(fā)的產(chǎn)品，符合ASTM 240標(biāo)準(zhǔn)，焊接性能良好，其化學(xué)成分見表1，室溫力學(xué)性能和低溫力學(xué)性能見表2。

表1 316LN奧氏體不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 316LN奧氏體不銹鋼力學(xué)性能

3 熱絲TIG焊的工藝特點(diǎn)

熱絲TIG焊是在傳統(tǒng)TIG焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的焊接工藝，其基本原理就是在焊絲送進(jìn)熔池之前，對(duì)焊絲進(jìn)行加熱使其達(dá)到一定的預(yù)熱溫度，最終實(shí)現(xiàn)高速高效焊接的目的。此外，焊絲經(jīng)過(guò)預(yù)熱表面得以凈化以及預(yù)熱電流對(duì)熔池的攪拌作用、預(yù)熱電流的磁場(chǎng)作用可以改變焊接電弧的形態(tài)等多種因素的共同作用，使得焊縫質(zhì)量更為優(yōu)良。同TIG焊相比，熱絲TIG焊明顯地提高了熔敷速度、焊接速度，適合于焊接中等厚度的焊接結(jié)構(gòu)，同時(shí)又具有TIG焊高質(zhì)量焊縫的特點(diǎn)，同MIG焊相比，其熔敷速度相差不大，但是熱絲TIG焊的送絲速度獨(dú)立于焊接電流，因此能夠更好地控制焊縫成形，對(duì)于開坡口的焊縫，其側(cè)壁熔合性比MIG焊好得多[1-2]。

4 焊接工藝評(píng)定

（1）焊接材料的選擇 本項(xiàng)目中所涉及316LN奧氏體不銹鋼熔焊均采用手工TIG焊或自動(dòng)TIG焊，焊接材料選用奧地利伯樂(lè)公司的ER 317L不銹鋼實(shí)芯焊絲，保護(hù)氣體選用氬氣（≥99.99%）。

（2）焊接工藝評(píng)定 根據(jù)橫梁中工字型鋼與側(cè)板的焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用手工TIG焊進(jìn)行定位焊及打底焊、熱絲TIG焊進(jìn)行填充及蓋面的焊接方法，并需要根據(jù)實(shí)際板材厚度制定合理的焊接工藝評(píng)定。

本結(jié)構(gòu)中，工字型鋼與其側(cè)板所使用的板材厚度為20mm，根據(jù)ISO 15614-1標(biāo)準(zhǔn)中“堆焊材料厚度和焊縫熔敷厚度的鑒定范圍”，以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際材料情況，選用了厚度為30mm的鋼板，這樣就能對(duì)所使用的鋼板進(jìn)行覆蓋。

手工TIG焊打底、熱絲TIG焊填充蓋面的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)步驟如下：

第一，焊接工藝評(píng)定試板規(guī)格均為30mm×200mm×400mm，采用對(duì)接接頭的方式，焊接坡口通過(guò)機(jī)械加工的方式成形。

第二，焊接完成24h后進(jìn)行射線檢測(cè)（按照ISO 17636進(jìn)行）和滲透檢測(cè)（按照 ISO 3452 進(jìn)行），經(jīng)專業(yè)檢測(cè)人員檢查合格。

第三，試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析：根據(jù)ISO 15614-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 316LN奧氏體不銹鋼焊縫力學(xué)性能

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合此工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，編制了一份完整的焊接工藝規(guī)程文件用于指導(dǎo)產(chǎn)品焊接。

5 橫梁焊接收縮量模擬試驗(yàn)件焊接制造

針對(duì)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為保證工字梁與側(cè)板的焊接全熔透，并適當(dāng)降低工字梁與兩側(cè)板的焊接接頭應(yīng)力集中，同時(shí)更準(zhǔn)確的預(yù)估橫梁焊接之后的收縮量大小，焊接在工字梁坡口下方增加一個(gè)8mm×12mm的墊板，同時(shí)在側(cè)板上開一R2mm×2mm的溝槽，如圖3所示。

圖3 模擬試驗(yàn)件

通過(guò)模擬試驗(yàn)件的焊接，得出了該結(jié)構(gòu)件采用預(yù)留收縮量法進(jìn)行焊接的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這為正式產(chǎn)品的焊接制造提供了關(guān)鍵支撐。

6 實(shí)際焊接生產(chǎn)保障措施

（1）板材下料及質(zhì)量控制 下料方式采用數(shù)控水刀切割，可以保證下料直線度、平面度、切割面粗糙度符合產(chǎn)品技術(shù)要求。

316LN奧氏體不銹鋼下料在專用的場(chǎng)地進(jìn)行，鋼板切割下料前必須做標(biāo)記移植，下料過(guò)程中避免踩踏鋼板表面，防止表面劃傷，下料零件配有木質(zhì)堆放架，周轉(zhuǎn)和運(yùn)輸時(shí)用塑料薄膜覆蓋，防止碳素鋼污染，下完料后分專區(qū)存放，并做隔離標(biāo)識(shí)。

（2）焊接坡口加工及質(zhì)量控制 該結(jié)構(gòu)中工字梁與側(cè)板組成的焊接接頭中，焊接坡口設(shè)置在工字梁上并通過(guò)機(jī)械加工方式成形。在坡口機(jī)械加工過(guò)程中，使用專用冷卻液，并采取了相應(yīng)的預(yù)防措施以避免污染不銹鋼。坡口加工完畢后，對(duì)焊接坡口及其兩側(cè)30mm范圍內(nèi)按照 ISO 3452 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了滲透無(wú)損檢測(cè)，合格后轉(zhuǎn)入焊接工序。

（3）結(jié)構(gòu)整體焊接及質(zhì)量控制 首先，焊接材料控制。通過(guò)對(duì)焊接材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)確保該產(chǎn)品的技術(shù)要求，焊材的保管、發(fā)放、使用和回收制定專門的管理措施。

其次，焊接設(shè)備控制。焊接設(shè)備處于完好狀態(tài)，并貼好顯示標(biāo)簽，安裝在焊接設(shè)備上的監(jiān)視和測(cè)量?jī)x表經(jīng)計(jì)量檢定合格，儀表所在處貼有校準(zhǔn)合格標(biāo)簽并顯示處于有效期內(nèi)，焊接設(shè)備做到定人定機(jī)、專管專用。

最后，產(chǎn)品施焊控制。316LN奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)件制造要與碳素鋼隔離的專用焊接場(chǎng)地，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，在坡口100mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上，定位焊前對(duì)焊接部位用丙酮進(jìn)行清洗，定位焊焊縫高度≥5mm，焊縫長(zhǎng)度20～30mm，定位焊間距100～120mm；打底焊時(shí)采用手工TIG焊，填充及蓋面焊接時(shí)采用熱絲TIG自動(dòng)焊對(duì)4條縱縫輪流焊接，采用多層多道焊操作方式，焊接過(guò)程中嚴(yán)格進(jìn)行層間清理，控制層間溫度，并在焊接記錄表格中如實(shí)填寫焊接參數(shù)。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)嚴(yán)格控制制造過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)每一個(gè)可能出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)事先一一解決，利用已有的焊接經(jīng)驗(yàn)和成熟技術(shù)，通過(guò)技術(shù)人員、質(zhì)檢人員及焊接工人的共同努力，不僅保質(zhì)保量按時(shí)完成了產(chǎn)品制造任務(wù)，而且對(duì)316LN奧氏體不銹鋼超低溫結(jié)構(gòu)件的熱絲TIG焊接的工藝方案積累了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)。